文摘

直接剪切试验不同干密度和含水量的样品在不同温度下的青藏铁路冻土路堤之间意为南部和安多段进行了分析每个实验因素的影响规则在冻融过程中冻土的力学性能。结果显示如下。(1)当冻土温度低于0°C和继续下降在冻融过程中,每个样本显示了法律的显著增加凝聚力和内摩擦角略有减少。同时,凝聚力在解冻过程中获得的样本在同一温度点高于在冻结过程中获得的。相比之下,内摩擦角表现出相反的法律,在融化过程中,内摩擦角低于内摩擦角在冻结过程中。冻融作用后,它应该被提到凝聚力略有增加,而内摩擦角出现轻微下降趋势比初始状态。(2)温度的降低和凝聚力的逐渐增加,温度曲线可分为一个快速增长的部分从0到−2°C,一个增长缓慢的部分从−2−8°C,和第二个快速增长的部分从8−−10°C由于pressure-thawing行动的综合效应和冰水相变。此外,内摩擦角的减少的速度也显示了类似的模式。(3)样本的凝聚力和内摩擦角都先增加然后减少与初始含水率的崛起,和关键的初始含水率接近最优含水率为15%。(4)凝聚力和内摩擦角的样品随着干密度的增长而增加。 The growth rate of cohesion will gradually increase as the temperature decreases. Moreover, the growth rate of cohesion of low dry density samples is more susceptible to temperature, while the internal friction angle growth rate is not affected by temperature.

1。介绍

冻土通常被定义为一个负温度或含有冰的零度岩石和土壤,一直处于冻结状态超过两年(1]。人类活动和全球变暖的影响已经导致大量冻土退化地区和全球平均地面温度持续上升2]。从1964年到现在,冻土退化至少25公里的南部北育空地区,加拿大和阿拉斯加南部边界的北公路走廊(3]。自1980年代以来,冻土退化加速在斯堪的纳维亚,瑞典北部,与九永冻土层厚度减少和三个永久冻土领域完全消失(4,5]。值得注意的是,近年来,冻土活动层的增长率在俄罗斯和蒙古的边境地区每年3 - 5厘米,在一些地区,它每年超过5厘米范围不断扩大。同样,青藏高原,中国的“世界第三极”,也减少了30%在冻土地区(6]。冻土退化过程中季节性冻土,不良现象,比如解冻泥流和热融化沉降出现到正无穷,构成重大威胁的稳定和安全结构如铁路、公路、和管道(7- - - - - -12),每年冻融循环对冻土地基工程的恶化至关重要的属性。目前青藏铁路建成约960公里的线路,海拔4000米,超过500公里的线路通过冻土地区(13]。不可避免的是,与上述相关的潜在安全隐患的风险冻土退化逐年增加(14,15]。因此,它是特别重要的确定铁路路基力学性能的退化规律冻土冻融作用下。

有关冻融的影响冻土的力学性能,当前的研究主要关注强度的特点,模块,和应力变形曲线等。研究的影响冻融土壤的强度,许多学者进行了研究剪切强度变化模式在多次冻融循环对不同土壤样本。总之,大量的研究结果表明,不同类型的抗剪强度,甚至相同类型的土壤样本可能有很大的差异下的抗剪强度变化的冻融的影响(16- - - - - -24]。一般来说,粒子的抗剪强度影响骨架,矿物成分,冻土和结构安排;此外,温度、含水率、冻土的外部压力和加载持续时间也会影响其抗剪强度(25]。同时,当前研究的主要方向是专注于冻融循环对冻土的强度,而很少有研究冻土的进化力量在冻融过程中。然而,机械工程冻土退化是一个长期和持续的过程。为了有一个更清晰的理解力学性能的演变青藏铁路路基下冻土冻融的影响,进行直接剪切试验收集的冰冻高原粉粘土路堤路基的意为南部和安多段青藏铁路在不同初始含水率和干密度在冻融过程中不同温度下。结果可以进一步补充冻融的影响的研究领域在青藏铁路冻土路基的力学性能和研究提供了理论参考依据的青藏铁路路基的变形和青藏铁路的安全运行和维护。

2。样品制备和实验方法

2.1。样品制备

测试现场土壤样本取自之间的青藏铁路路基意为南部和安多部分,检查和处理现场取样后,密封和标记包装,然后回到实验室进行以下测试。

如表所示1,土壤的基本物理性质参数样本通过室内土壤测试。随后自然干燥原状土样,铣削与一个木制微粒搅拌,然后他们穿过一个2毫米筛允许了解土壤颗粒级配曲线的图形如图1,不均匀系数C_u= 5.73和曲率系数C_c= 1.25,这证明它是不均匀土壤粒级。

直接剪切试验进行了使用改造的土壤,和样本准备按照中国标准岩土工程测试方法(GBT 50123 - 2019):一定质量的渗土壤混合和混合彻底根据实验设置含水量,确保粗和细土颗粒的均匀分布。然后混合样本被密封在塑料袋里,留给站24小时使水分充分,均匀渗透到土壤颗粒。完成常务之后,所需的圆柱形样本的质量D= 61.8毫米h= 20毫米重根据测试预期,和土壤样本在三层压实压实设备的使用(图2),土壤样品的表面是完全用小刀刮后每个压实增强层之间的连接为了获取不同干密度的样品。之后,准备样本与保鲜膜裹紧,防止水分流失和随后放入低温冷藏冷冻,如图3。

2.2。实验方法

涉及到的实验方法三个方面因素:含水率、干密度和温度。样品的水分含量,分别设置为12%,15%,18%,20%。同时,干密度是1.6克/厘米³,1.7克/厘米³和1.8克/厘米³。在此基础上,12组样本具有不同含水率和干密度(每组至少包含八个样本满足平行实验)的要求准备,如表所示2。同时,剪切温度点在冻融过程中按顺序设置为2.0°C, 0°C,−2.0°C,−5.0°C,−8.0°C,−10.0°C,−8.0°C,−5.0°C,−2.0°C, 0°C,和2.0°C,这表明直接剪切试验在同一温度点进行了冻融路径。

确保土壤样本的准确性在剪切温度,防止热迁移期间由于过度的温度差异影响实验结果的测试,样品和直接剪切试验箱是分开存储在低温冰箱恒电脑温度控制范围内的−30∼10°C。进行直接剪切试验的可编程——高、低温环境温度试验箱,可以配置在一个恒定的温度范围内的−50∼20°C(数字4和5)高速铁路工程重点实验室,教育部,西南交通大学。

在测试之前,所有的样品和直接剪切试验箱是分开放置在恒温冰箱温度调整到2°C的24小时内,以确保均匀的初始温度分布的土壤样本,减少热量的影响测试箱和样品之间的迁移。然后,样品很快就搬到恒温试验箱温度相同的情况下提前设置开始第一个直接剪切试验。随后,恒温冰箱的温度调整为8小时每个剪切温度点序列,以确保样品达到指定的温度;然后下一个直接剪切试验进行了反复直到冻融完成。

由于长时间加载直剪试验的垂直压力会导致一定的传热样品,直接快剪试验进行了测试。因为样本取自铁路路基的浅层的垂直压力设定测试是很小的。因此,测试速度设置为0.8毫米/分钟,和垂直压力设置为50,100年,150年和200 kPa,分别。

3所示。分析

3.1。冻土抗剪强度和温度的变化在冻融过程中

3.1.1。凝聚力与温度的变化

因为凝聚力与温度的变化模式是类似的对于每一个样本组,四组FT1, FT2,发生,FT4相同干密度为1.6克/厘米³作为现场土壤选择绘制的结果与温度变化如图凝聚力6(一)- - - - - -6 (d)。在图6,蓝线代表了冻结过程的方向从左到右,而红色的线条代表的解冻过程相反的方向。

从图可以看出6每个含水率的凝聚力样本不变0°C以上无论是在冷冻或解冻阶段,表明样品中的水存在于液体的形式,基本上不影响凝聚力。当温度低于0°C和不断减少,凝聚力开始增加,这表明冰内容的上升是由于逐渐结晶的水,导致冰胶结的逐渐增加。以FT2集团为例,同一含水量的原状土,冷冻过程温度变化从0°C−10°C,从16.83 kPa凝聚力提高到57.38 kPa,增加约255%,表明冻土的温度显著影响其凝聚力。在解冻过程温度变化从−10°C到0°C,凝聚力下降19.23 kPa,国家冻结之前相比增加了14.3%。此外,每个解冻过程的曲线上方的冻结过程,表明冻融作用增加样本的凝聚力。和凝聚力得到样品的解冻过程高于在同一剪切温度、冻结过程是不同的结论:样品的凝聚力是减少一些文献中提到的冻融作用[22- - - - - -27]。差异的主要原因是土壤的凝聚力与土壤的联系方式。冻融作用会破坏原来的土壤颗粒之间的连接和重新排列他们解冻冻胀和结算,这可能改变样品的凝聚力。然而,当样品的土壤颗粒重新排列和连接方式不如原样品,凝聚力是自然减少。然而,当连接优于原样品,它执行一个相反的属性。显然,本文中的范例的情况属于后者。

其他样品组的实验结果相似。基于凝聚强度的值在0°C在冻结过程中,剩余的样本群体的凝聚力增加了241∼295%冻结在−10°C冻结之前,价格相比,加热和熔化的凝聚力为0°C也与之前相比增加了0.5%∼21.1%冻结。

同样值得注意的是,0∼−10°C部分的曲线大致可以分成三个部分根据斜率的变化,首先是陡峭的0∼−2°C,虽然逐渐倾向于慢下来的−2∼−8°C;最后,出现了一个陡峭的范围8∼−−10°C。在冻融试验温度低于0°C,两种现象影响曲线变化模式:冰水相变和pressure-thawing效果。当样品温度变化的范围0∼−2°C,它是接近土壤水的冰点;因此,冰水相变剧烈。尽管pressure-thawing效应存在,它是由冰水相变。温度下降,大量的自由水在土壤中会迅速变成冰晶,迅速施加力量和生产巩固对土壤颗粒的影响,导致显著增加土壤颗粒之间的凝聚力。当温度在2−−8°C,大部分的水已经冻结成冰,随着温度继续下降,只有少量的水仍然继续相变。同时,pressure-thawing效应还能抑制率转换剩余的水变成冰,导致减速曲线的斜率。然而,冻土的pressure-thawing效应将逐渐消失与温度的降低21]。因此,当温度在8∼−−10°C,剩余的水相变速度增加由于pressure-thaw效应的弱化,导致第二个显著增加凝聚力。

3.1.2。内摩擦角与温度的变化

出于同样的原因,如上所述,四组FT1, FT2,发生,FT4样品具有相同的原状土干密度1.6克/厘米³选择不同的水分含量内摩擦角的曲线φ与不同的温度,只有FT2定量分析的样本组,如图7。

从图可以看出7内摩擦角不受温度影响2∼0°C。当温度低于0°C和继续降低,内摩擦角在冻融过程中可以相应地减少。这是因为,在冰水相变的过程中,水冰的转换会导致体积膨胀,拥挤,和土壤毛孔扩张,结果在一个较低程度的土壤颗粒阻塞。和冰晶的强度远低于土壤颗粒,这将进一步导致减少内摩擦角的样品。同时,还原速度在0∼−2°C的显著快于部分−2∼−8°C部分,和内的还原速度−8∼10°C也略高于−2∼−8°C部分,原因是类似于凝聚力影响冰水相变和pressure-thawing行动。,在价值观方面,以FT2为例,冷冻过程温度降低从0°C−10°C,从22.36°内摩擦角下降到16.25°,下降了约26.6%。解冻过程温度变化从−10°C到0°C,从16.25°内摩擦角上升到20.86°,减少了约6.7%,之前冻结状态。,在解冻过程中获得的内摩擦角在同一剪切温度点低于冷冻过程,这是相关的膨胀和变形毛孔在冻结过程中,导致的减少土壤颗粒之间的遮挡。

其他样品组的实验结果是相似的。基于内摩擦角的值在0°C冻结之前,其他样品的内摩擦角组下降了23.5%∼34.5%冻结在−10°C,和其他样本的内摩擦角组下降了2.1%∼8.4%解冻为0°C。在一般情况下,温度影响较小内摩擦角与凝聚力。

3.2。初始含水率的影响抗剪强度的冻融过程中冻土

为了研究样品的初始含水率的影响抗剪强度的冻土冻融过程中,典型的温度(0°C,−5°C,−10°C)每组选择相同的干密度。之间的关系绘制凝聚力和内摩擦角φ与初始含水率在冻融过程中,如图8和9。

数据8和9显示,有一些类似的规则曲线的凝聚力和内摩擦角。是否冻结或解冻过程中,凝聚力和内摩擦角都增加然后减少与初始含水率的上升,和这两个参数的最大值的初始含水率为15%,这也是最佳含水量。它表明一定存在临界含水率达到或接近最优每个测试点温度,使样本的最大凝聚力和内摩擦角。和最优含水率在这项工作被定义为相对应的含水量最大土壤的压实状态下一定数量的撞击;即土壤颗粒很容易压缩和该含水率下连接紧密,样品是可以获得的最大抗剪强度参数。然而,随着温度下降,水结晶内土样磨砂,用力,水分含量可能会改变。这条规则的原因分析如下:当含水率低于临界含水率,发生相变温度的降低,土壤和内部毛孔逐渐充满了冰晶,这加强了土壤强度。然而,随着水分含量继续增加,冰晶逐渐填满并进一步冻胀大毛孔,从而增加土壤颗粒之间的差距削弱了分子间作用力和闭塞的土壤颗粒,从而削弱土壤强度。

3.3。干密度的影响抗剪强度的冻融过程中冻土

为了探索试样干密度的影响抗剪强度的冻土冻融过程中,典型的温度(0°C,−5°C,−10°C)选择在每个样本组相同的初始含水率。凝聚力的关系曲线c和内摩擦角φ过程中与干密度相应如图10和11。

从数据可以看出10和11样本的内聚力和内摩擦角随着干密度的增加增长在冻融的每一个阶段,但增长曲线的凝聚力和内摩擦角是不同的。

凝聚力,每个水分曲线组的曲线特征是相似的。把图10 ()作为一个例子,温度是0°C时,凝聚力增加线性增长速度相对缓慢。当温度降到−5°C,曲线的线性特征消失,显示前端增长率大于后端,前端增长率显著大于0°C曲线。当温度变化从−5°C−10°C,赶上前端,后端增长率曲线开始再次显示线性增长,整个曲线的斜率大于0°C曲线。

上面的结果显示如下。首先,样本密度的增加有显著的影响在每个温度条件的增加凝聚力。其次,凝聚力与干密度相对应的增长速度逐渐增加随着气温降低,和凝聚力的增长率低干密度的样品更容易受温度的影响。

同样,内摩擦角,图(11日)作为一个例子,内摩擦角曲线线性增长,在每个温度相互平行。虽然其他曲线的斜坡不增加线性,每个温度曲线的斜率相同干密度不变,表明冻结温度不会影响增长率的内摩擦角,这是不同的结论:冻结土壤干密度较低的凝聚力更容易受到温度。

4所示。结论

在这部作品中,直剪试验不同干密度和含水量的样品在不同温度下的冻融过程之间的青藏铁路冻土南部和安多段意,和每个测试的影响因素对冻土的力学性能在这个过程进行了分析,产生以下主要结论:(1)凝聚力和内摩擦角不变在冻融过程中从0到2°C。如下温度降低0°C和继续减少,每个示例显示了一个急剧增加的凝聚力(241%∼295%)。相比之下,内摩擦角略有减少(23.5%∼34.5%)。凝聚力在解冻过程中获得的样本在同一剪切温度点高于在冻结过程中,而内摩擦角显示了相反的属性。当冻融完成,增加凝聚力悦目的(0.5%∼21.1%)和内摩擦角显示略有下降趋势(2.1%∼8.4%)。(2)降低温度和增加凝聚力,相应的斜率温度范围内可分为三个阶段的综合效应pressure-thawing和冰水相变。在0∼−2°C,大量冰晶发挥他们的力量和水泥土壤颗粒由于强烈的冰水相变和凝聚力迅速增加。在−2∼−8°C,含水量降低的原因和pressure-thawing效应抑制冰晶的一代,生长速率减慢。在8∼−−10°C, pressure-thawing效应消失的降低温度,抑制消失和凝聚力开始迅速增加,第二次和递减率的内摩擦角也显示了类似的模式。(3)样品的内聚力和内摩擦角显示上升趋势,然后与初始含水率的上升,下降的临界点位于或接近最优含水率为15%。在这种情况下,凝聚力和内摩擦角获得高峰值。(4)凝聚力和内摩擦角随着干密度的增加而增加。和凝聚力与干密度相对应的增长速度将会逐渐增加,温度降低。此外,凝聚力的增长率低干密度的样品更容易受到温度,而内摩擦角增长率免于这样的影响。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认提供的支持中国的国家自然科学基金(51878571号和U2034205)和基础研究基金为中央大学、冠心病(30010220516)。